用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置的制作方法

本发明涉及金属或非金属薄板疲劳性能测试，特别在涉及压-压、拉-压方式疲劳试验过程中，防止试验机上加持的厚度低于3mm的金属或非金属薄板样品在试验过程中发生屈曲变形的试验装置。

背景技术：

1、现代工程领域，在低碳环保及循环再生材料的背景下，各种金属及非金属板材，常见如热轧钢板、冷轧钢板、镀铝锌钢板、镀铝钢板、不锈钢板、铝合金板、高强度玻璃纤维板、复合碳纤维板等金属及非金属板材大量的应用于制造各种承重件或是装饰件。基于全生命周期观念、低碳战略、节约理念、安全理念，开发新产品或已有产品迭代或产品结构设计改进，已成为现代产品的设计或改进的基本思路。为验证在不降低或不影响部件功能的前提下，当更换材料种类或是使用高强材料替代现有材料(减薄材料或减少材料用量)，或使用再生材料(如再生塑料、再生铝)代替原有材料是否会影响产品的可靠性及安全性，薄片材料的疲劳耐久项目是考核产品可靠性测试的关键项目。

2、可靠性是指产品在一定时间或条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。可通过可靠度、失效率还有平均无故障间隔等来评价产品的可靠性。而且这是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确的描述和比较。疲劳寿命是对可靠性进行量化考量的最直接最有效的指标。通过表征材料的疲劳寿命，可以用于预估产品的寿命、指导产品的设计缩短产品的开发流程。

3、表征材料疲劳寿命的三种主流方法：s-n法(stress-life法，应力-寿命和全寿命法)、e-n法(strain-life法，局部应变法，裂纹萌生法和应变寿命法)、lefm法(裂纹扩展法)。s-n法和e-n法是汽车行业评估寿命方法中最常用的方法，其中s-n法适合考量材料承受低应力、中高频率载荷下的疲劳特性，e-n法适用于考量材料承受低频率、高应变载荷的疲劳特性。

4、在材料的疲劳性能测试中，常用的国家标准有：gb/t 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和gb/t 26077-2021《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》、gb/t43111-2023《炭素材料疲劳试验轴向力控制方法》、gb/t33837-2017《玻璃纤维涂覆制品拉-拉疲劳性能的测定》、gb/t 35465.4-2020《聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第4部分：拉-压和压-压疲劳》。

5、gb/t 3075应力控制疲劳主要用于测定承受载荷在屈服点以下的高周疲劳，构建承受拉拉载荷或拉压载荷，试验时，设备控制器根据力值传感器反馈力值信号，控制疲劳载荷。根据经验2.5mm及以下厚度的样品在承受，测试疲劳周次一般在105～107。

6、gb/t 26077-2021应变控制疲劳主要用于测定承受载荷接近或超过屈服点的低周疲劳，被测构建承受拉压复合载荷，测试疲劳周次一般在103～105。

7、疲劳试验机是一种主要用于测定金属及非金属材料在室温或特定环境状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。疲劳试验机用于进行测定金属、非金属、合金材料及其构件在室温或特定环境状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。

8、疲劳试验是指通过材料实验测定材料的疲劳寿命，绘制材料的s-n曲线或e-n曲线，进而评价材料疲劳特性的方法。根据材料测试需求，疲劳试验的控制方式可分为应力控制和应变控制两种，根据测试需求，试验载荷可以为正值也可以为负值。

9、应力控制疲劳试验力加载方式分为以下几种形式：

10、1、拉-拉疲劳：最大及最小疲劳试验力均为正值，应力比(最大试验应力/最小试验应力)为正值；

11、2、压-压疲劳：最大及最小疲劳试验力均为负值，应力比(最大试验应力/最小试验应力)为正值；

12、3、拉-压疲劳：最大试验力为正值，最小试验力为负值，应力比(最大试验应力/最小试验应力)为负值。

13、应变控制疲劳，需要使用引伸计控制试验应变，疲劳应变加载方式分为以下几种形式：

14、4、拉-拉疲劳：最大及最小疲劳试验应变均为正值，应力变(最大试验应变/最小试验应变)为正值；

15、5、压-压疲劳：最大及最小疲劳试验应变均为负值，应变比(最大试验应变/最小试验应变)为正值；

16、6、拉-压疲劳：最大试验力为正值，最小试验力为负值，应变比(最大试验应变/最小试验应变)为负值。

17、对于较薄样品(厚度≤2.5mm)，在施加压向应力或应变载荷的过程中，样品容易发生刚度失稳从而发生屈曲现象，导致测试无效，gb/t 3075-2008和gb/t26077-2021标准中建议使用下图1所示工装防止试验过程中样品发生屈曲失效，图1中，300为聚四氟乙烯薄膜，400为试样。

18、此装置在实际工作中有很大的局限性，具体如下：

19、(1)工装通用性弱：对于不同平行段尺寸的样品需要单独定制与之匹配的的工装，样品尺寸需要根据原料尺寸和实际应用需求实时调整，因此单个工装的通用性不强；

20、(2)工装与样品需要螺栓紧固连接影响试验精度：工装使用时，为减小防屈曲工装与样品之间的摩擦力，需要先在工装与样品之间增加聚四氟乙烯薄膜垫片，再使用紧固螺栓穿过工装连接孔，将两侧垫有聚四氟乙烯薄膜的样品夹持在中间，不同的样品，螺栓的拧紧力矩需要根据经验控制，紧固不足会导致在试验过程中防屈曲工装滑动起不到防屈曲作用，紧固过大会增大工装与样品间的摩擦力，造成测试误差。根据以往测试经验，不同被测材料、不同应变范围的样品，连接螺栓的紧固扭矩都需要有调整，严重影响测试周期和样品测试成功率；

21、(3)配套多规格试验隔片引入较大摩擦：需要加工多种厚度规格与样品厚度相匹配的聚四氟乙烯隔片，在试验过程中隔片不可避免的与样品紧密接触，试验中存在较大的摩擦力，摩擦力直接影响疲劳试验力的控制精度；

22、(4)引伸计安装受限影响控制精度：由于样品平面处安装防屈曲工装，因此如需进行应变控制疲劳试验时，应变控制引伸计只能安装在样品厚度方向的侧面，对于2.5mm以下的较薄样品，引伸计刀口与样品接触面小，难以精确进行应变控制，样品测试过程中失控比例很高，难以精准的完成试验测试。

23、现阶段汽车行业在轻量化背景下，高强塑薄钢板使用率大幅度提高，疲劳寿命是影响零部件寿命和安全的关键指标，为提升测试精度，缩减测试周期，急需研发一种新的防屈曲试验装置，解决上述不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有上述的技术中的缺陷，而提供一种用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，旨在解决传统防屈曲装置的通用性差，工装与样品需要螺栓紧固连接会影响试验精度，配套多规格试验隔片会引入较大摩擦，以及引伸计安装受限会影响控制精度的缺点。

2、为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

3、一种用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，包括用于安装于试验机上且对样品进行夹持试验的夹具，所述夹具包括上下对称布置的上夹具与下夹具，所述上夹具与下夹具均包括左钳口与右钳口，所述左钳口与右钳口相对布置，所述左钳口与右钳口上均布置有防屈曲部，左右相对布置的两个防屈曲部之间为样品置入空间，所述防屈曲部与样品的相对面为平面；四个所述防屈曲部高低上下相对交错布置，交错布置的两个第一防屈曲部的侧表面预设有配合应变控制引伸计的延长刀口的通孔，用于使应变控制引伸计的刀头在样品的宽度方向上与样品线接触，交错布置的两个第二防屈曲部的高度于小于所述第一防屈曲部的高度。

4、其中，所述防屈曲部包括防屈曲基部，所述防屈曲基部的外表面套设有高分子聚合物材质的隔离套管。

5、其中，所述防屈曲部的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面在一同平面，所述隔离套管的厚度等于所述防屈曲基部与的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面的距离。

6、其中，所述防屈曲基部的内侧面与外侧面为平面，所述内侧面与外侧面在两端通过弧形面相连接，形成两端为圆头的扁平状的结构。

7、其中，所述高分子聚合物材质的套管由高分子聚合物材质的管体压扁平后套在所述防屈曲基部上形成。

8、其中，所述管体压扁平套在所述防屈曲基部上，用螺栓与所述防屈曲基部固定，所述防屈曲基部以及管体上预制有固定用的螺栓孔以及配合延长刀头的刀头孔。

9、其中，所述左钳口与右钳口与其上的防屈曲基部为固定结构。

10、其中，所述应变控制引伸计通过钢丝扣安装固定，所述钢丝扣布置于上夹具与下夹具之间，夹持于相对布置的两上防屈曲部之间。

11、其中，所述应变控制引伸计的刀头后部设置有安装孔，所述钢丝扣的一端伸入所述安装孔中，与所述应变控制引伸计连接。

12、其中，所述应变控制引伸计包括两个刀头，所述钢丝扣为两个，对应配合两个所述刀头。

13、本发明改变现有技术中防屈曲夹具与样品通过紧固连接的模式，将防屈曲部与试验用的钳口固定连接，优化了防屈曲装置需要与样品厚度和宽度相配合的弊端，提升了装置的通用性。

14、本发明改变现有技术中防屈曲夹具与样品通过紧固连接的模式，将防屈曲部与试验用的钳口固定连接，避免了试验过程中时刻根据样品的材料特性和疲劳试验载荷调整原方案中防屈曲装置紧固扭矩的关键步骤，减小了此项目对测试人员经验的依赖。

15、本发明改变现有技术中在样品厚度方向的侧面安装应变控制引伸计的方式，采用上下夹具的左右钳口上高度不对称形式安装的防屈曲部，防屈曲部上预留引伸计安装孔，将应变控制引伸计安装在样品宽度方向的平面上，应变控制引伸计与样品的接触形式从现有技术方案中的点接触变更为线接触，大幅度提升应变疲劳控制精度。

16、总之，本发明用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，通用性强，装置不需要螺栓紧固与样品连接，隔片种类少，需要应变控制时，可以在样品平行段平面安装应变控制引伸计，从而克服了背景技术中的相应的缺陷。